CN105784247B - 一种基于空间叠加法的五维力检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于空间叠加法的五维力检测装置，它涉及一种五维力检测装置。本发明解决了多维力传感器集成度不高，存在检测效率低、使用不方便、环境适应性差的问题。悬臂基座的一端通过活动轴组件与后背上层板活动连接，后背连接悬臂通过三个第一悬臂梁上的销球与第一后背销球座、第二后背销球座和第三后背销球座连接；后背转动基板通过交叉滚子轴承安装在悬臂基座的上端面上，后背转动基板的一侧壁上设置有第二悬臂梁，悬臂基座的一侧壁上设置有后背层悬销筒，每个后背层悬销筒内设置有第二悬臂梁销球；每条脚底滑轨通过两个脚底滑块设置在后背转动基板的上端面上，腰部连接转板固装在两条脚底滑轨的上端面上，本发明用于检测基于空间叠加法的五维力。

Description

一种基于空间叠加法的五维力检测装置

技术领域

本发明涉及一种五维力检测装置，具体涉及一种基于空间叠加法的五维力检测装置。

背景技术

传感器被喻为电子衡器的心脏，它的性能在很大程度上决定了电子衡器的准确度和稳定性，是保证系统有效，安全，正常运行的基础。

而测力传感器更是现在工业不可或缺的重要组成部分，随着信息技术以及现在工业的快速发展，测力传感器数量呈指数式增长，传感器业务需求快速增加。为了满足新的业务和应用需求，测力传感器正由提供单一的类型向提供复杂的、多类型转变。而能够同时实现多个方向的力测量的传感器更是深受用户的青睐。

多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，目前广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。

多维力传感器广泛应用于机器人手指、手爪研究；机器人外科手术研究；指力研究；牙齿研究；力反馈；刹车检测；精密装配、切削；复原研究；整形外科研究；产品测试；触觉反馈；示教学习。行业覆盖了机器人、汽车制造、自动化流水线装配、生物力学、航空航天、轻纺工业等领域。

综上，现有的多维力传感器集成度不高，存在检测效率低、使用不方便、环境适应性差的问题。

发明内容

本发明为解决多维力传感器集成度不高，存在检测效率低、使用不方便、环境适应性差的问题，进而提供一种基于空间叠加法的五维力检测装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的基于空间叠加法的五维力检测装置包括腰部连接转板、后背转动基板、后背销球、后背层悬臂座、后背连接悬臂、交叉滚子轴承、后背上层板、第一后背销球座、第二后背销球座、第三后背销球座、后背层悬销筒、活动轴组件、固定轴、两条脚底滑轨和四个脚底滑块；

第一后背销球座、第二后背销球座、第三后背销球座和活动轴组件固装在后背上层板的上端面上，第二后背销球座与第三后背销球座平行设置且位于后背上层板的两端部，第一后背销球座沿后背上层板的长度方向设置，后背连接悬臂包括悬臂基座和三个第一悬臂梁，三个第一悬臂梁与悬臂基座固装为一体，每个第一悬臂梁的悬臂端上设置有销球，悬臂基座的一端通过活动轴组件与后背上层板活动连接，后背连接悬臂通过三个第一悬臂梁上的销球与第一后背销球座、第二后背销球座和第三后背销球座连接，第一后背销球座为上下销球，第二后背销球座和第三后背销球座均为水平销球，悬臂基座的上端面上固装有固定轴；

交叉滚子轴承安装在固定轴上，后背转动基板通过交叉滚子轴承安装在悬臂基座的上端面上，后背转动基板的一侧壁上设置有第二悬臂梁，第二悬臂梁的悬臂端上设置有销球，悬臂基座的一侧壁上设置有后背层悬销筒，每个后背层悬销筒内设置有第二悬臂梁销球；

每条脚底滑轨通过两个脚底滑块设置在后背转动基板的上端面上，两条脚底滑轨平行设置且沿后背上层板的宽度方向设置，腰部连接转板固装在两条脚底滑轨的上端面上，后背转动基板的一侧壁上设置有第三悬臂梁，第三悬臂梁的悬臂端设置有后背销球，后背层悬臂座固装在腰部连接转板上，后背销球设置在后背层悬臂座上；三个第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁上均设置有应变片。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明的基于空间叠加法的五维力检测装置应用在外骨骼的背部结构，本发明的五维力检测装置的一侧与人体相连，另一侧与机器人相连，从而能够实现测量人体背部所受到的力；

本发明的基于空间叠加法的五维力检测装置通过四层机械结构，每相邻两层结构之间存在不同的确定方向的相对运动，通过在连接相邻两层机械结构的悬臂梁上安装应变片，从而实现测量相邻机械结构相对运动方向上的位移，由于设置四层机械结构，从而实现五维力的测量；同时本发明集成度高，检测效率高、环境适应性强；

本发明的基于空间叠加法的五维力检测装置还具有结构紧凑、节省空间、使用方便和实用性强的优点。

附图说明

图1是本发明的基于空间叠加法的五维力检测装置的整体结构立体图；

图2是本发明的基于空间叠加法的五维力检测装置的整体结构立体图(不包括腰部连接转板1)；

图3是本发明具体实施方式一中后背连接悬臂7和后背上层板13之间的连接立体图；

图4是本发明具体实施方式一中后背连接悬臂7和后背转动基板3之间的连接立体图；

图5是本发明的基于空间叠加法的五维力检测装置的侧视图；

图6是本发明具体实施方式一中后背转动基板3的立体图；

图7是本发明具体实施方式一中后背连接悬臂7和后背转动基板3之间的连接方式图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～7所示，本实施方式的基于空间叠加法的五维力检测装置包括腰部连接转板1、后背转动基板3、后背销球5、后背层悬臂座6、后背连接悬臂7、交叉滚子轴承8、后背上层板13、第一后背销球座14、第二后背销球座16、第三后背销球座17、后背层悬销筒20、活动轴组件25、固定轴26、两条脚底滑轨2和四个脚底滑块4；

第一后背销球座14、第二后背销球座16、第三后背销球座17和活动轴组件25固装在后背上层板13的上端面上，第二后背销球座16与第三后背销球座17平行设置且位于后背上层板13的两端部，第一后背销球座14沿后背上层板13的长度方向设置，后背连接悬臂7包括悬臂基座7-1和三个第一悬臂梁7-2，三个第一悬臂梁7-2与悬臂基座7-1固装为一体，每个第一悬臂梁7-2的悬臂端上设置有销球，悬臂基座7-1的一端通过活动轴组件25与后背上层板13活动连接，后背连接悬臂7通过三个第一悬臂梁7-2上的销球与第一后背销球座14、第二后背销球座16和第三后背销球座17连接，第一后背销球座14为上下销球，第二后背销球座16和第三后背销球座17均为水平销球，悬臂基座7-1的上端面上固装有固定轴26；

交叉滚子轴承8安装在固定轴26上，后背转动基板3通过交叉滚子轴承8安装在悬臂基座7-1的上端面上，后背转动基板3的一侧壁上设置有第二悬臂梁3-1，第二悬臂梁3-1的悬臂端上设置有销球，悬臂基座7-1的一侧壁上设置有后背层悬销筒20，每个后背层悬销筒20内设置有第二悬臂梁3-1销球；

每条脚底滑轨2通过两个脚底滑块4设置在后背转动基板3的上端面上，两条脚底滑轨2平行设置且沿后背上层板13的宽度方向设置，腰部连接转板1固装在两条脚底滑轨2的上端面上，后背转动基板3的一侧壁上设置有第三悬臂梁3-2，第三悬臂梁3-2的悬臂端设置有后背销球5，后背层悬臂座6固装在腰部连接转板1上，后背销球5设置在后背层悬臂座6上；三个第一悬臂梁7-2、第二悬臂梁3-1和第三悬臂梁3-2上均设置有应变片。

本发明的基于空间叠加法的五维力检测装置在使用时，一端固定于外骨骼机器人背部，另一端固定于人体，当机器人与人体存在相对运动趋势时，会使得该机构受力发生形变，从而实现力的测量；本发明也可以用于其它对多维力的测量场合。

具体实施方式二：如图2、图4和图6所示，本实施方式后背销球5由销球本体和悬臂套筒5-1构成，销球本体与悬臂套筒5-1制成一体，悬臂套筒5-1套装在第三悬臂梁3-2上。如此设计，便于后背销球5安装在第三悬臂梁3-2上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图2和图3所示，本实施方式活动轴组件25包括连杆底座27，第一活动轴21、第二活动轴22、第三活动轴23、第一后背连杆11和第二后背连杆12，连杆底座27固装在后背上层板13的上端面上，第一活动轴21安装在连杆底座27上，第二活动轴22通过第二后背连杆12与第一活动轴21连接，第三活动轴23通过第一后背连杆11与第二活动轴22连接，所述悬臂基座7-1的一端穿装在第三活动轴23上。如此设计，限制后背连接悬臂7沿活动轴组件25的长度方向运动，只能沿活动轴组件25的运动范围内与后背上层板13发生相对运动。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图2和图3所示，本实施方式活动轴组件25还包括六个销轴盖28，第一活动轴21、第二活动轴22和第三活动轴23的两端均设置有一个销轴盖28。如此设计，可以起到第一后背连杆11和第二后背连杆12的限位作用。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图2所示，本实施方式脚底滑块4的上端面上沿后背上层板13的宽度方向加工有滑槽，每条脚底滑轨2沿宽度方向设置在两个脚底滑块4的滑槽上。如此设计,可以使得脚底滑轨2沿着后背上层板13的宽度方向滑动，起到限位的作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或四相同。

具体实施方式六：如图2所示，本实施方式所述五维力检测装置还包括第一固定交叉滚子轴承端盖9和第二固定交叉滚子轴承端盖10，交叉滚子轴承8通过第一固定交叉滚子轴承端盖9和第二固定交叉滚子轴承端盖10安装在固定轴26上。如此设计，用于固定交叉滚子轴承。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

工作过程：

当后背上层板13受到外力的情况下，后背上层板13与后背连接悬臂7由于力的作用，相对位置发生变化，后背连接悬臂7上的悬臂梁会产生形变，由于后背上层板13与后背连接悬臂7的相对位置发生变化，引起后背连接悬臂7悬臂梁上的应变片产生变形，通过检测悬臂梁的应变即可计算出受力的大小，根据后背上层板13和后背连接悬臂7上下悬臂梁的变形得到后背上层板13受到的前后的力的大小及其力矩大小，通过第一后背销球座14的变形得到最上层收到的上下两个方向的力的大小；

后背转动基板3位于后背连接悬臂7和腰部连接转板1之间，由于后背上层板13受到外力的作用，后背转动基板3与后背连接悬臂7和腰部连接转板1均发生相对位置变化，这种变化引起了后背转动基板3上悬臂梁的变形，通过检测后背转动基板3上悬臂梁的应变即可计算出受力大小，根据这两个部分的变形可以得到后背上层板13左右方向的受力以及力矩。

通过上述过程就能检测出最上层的五维力，即前后方向的受的力和力矩，左右方向受的力和力矩，上下方向的力。

Claims (6)

1.一种基于空间叠加法的五维力检测装置，其特征在于：所述五维力检测装置包括腰部连接转板(1)、后背转动基板(3)、后背销球(5)、后背层悬臂座(6)、后背连接悬臂(7)、交叉滚子轴承(8)、后背上层板(13)、第一后背销球座(14)、第二后背销球座(16)、第三后背销球座(17)、后背层悬销筒(20)、活动轴组件(25)、固定轴(26)、两条脚底滑轨(2)和四个脚底滑块(4)；

第一后背销球座(14)、第二后背销球座(16)、第三后背销球座(17)和活动轴组件(25)固装在后背上层板(13)的上端面上，第二后背销球座(16)与第三后背销球座(17)平行设置且位于后背上层板(13)的两端部，第一后背销球座(14)沿后背上层板(13)的长度方向设置，后背连接悬臂(7)包括悬臂基座(7-1)和三个第一悬臂梁(7-2)，三个第一悬臂梁(7-2)与悬臂基座(7-1)固装为一体，每个第一悬臂梁(7-2)的悬臂端上设置有销球，悬臂基座(7-1)的一端通过活动轴组件(25)与后背上层板(13)活动连接，后背连接悬臂(7)通过三个第一悬臂梁(7-2)上的销球与第一后背销球座(14)、第二后背销球座(16)和第三后背销球座(17)连接，第一后背销球座(14)为上下销球，第二后背销球座(16)和第三后背销球座(17)均为水平销球，悬臂基座(7-1)的上端面上固装有固定轴(26)；

交叉滚子轴承(8)安装在固定轴(26)上，后背转动基板(3)通过交叉滚子轴承(8)安装在悬臂基座(7-1)的上端面上，后背转动基板(3)的一侧壁上设置有第二悬臂梁(3-1)，第二悬臂梁(3-1)的悬臂端上设置有销球，悬臂基座(7-1)的一侧壁上设置有后背层悬销筒(20)，每个后背层悬销筒(20)内设置有第二悬臂梁(3-1)销球；

每条脚底滑轨(2)通过两个脚底滑块(4)设置在后背转动基板(3)的上端面上，两条脚底滑轨(2)平行设置且沿后背上层板(13)的宽度方向设置，腰部连接转板(1)固装在两条脚底滑轨(2)的上端面上，后背转动基板(3)的一侧壁上设置有第三悬臂梁(3-2)，第三悬臂梁(3-2)的悬臂端设置有后背销球(5)，后背层悬臂座(6)固装在腰部连接转板(1)上，后背销球(5)设置在后背层悬臂座(6)上；三个第一悬臂梁(7-2)、第二悬臂梁(3-1)和第三悬臂梁(3-2)上均设置有应变片。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间叠加法的五维力检测装置，其特征在于：后背销球(5)由销球本体和悬臂套筒(5-1)构成，销球本体与悬臂套筒(5-1)制成一体，悬臂套筒(5-1)套装在第三悬臂梁(3-2)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于空间叠加法的五维力检测装置，其特征在于：活动轴组件(25)包括连杆底座(27)，第一活动轴(21)、第二活动轴(22)、第三活动轴(23)、第一后背连杆(11)和第二后背连杆(12)，连杆底座(27)固装在后背上层板(13)的上端面上，第一活动轴(21)安装在连杆底座(27)上，第二活动轴(22)通过第二后背连杆(12)与第一活动轴(21)连接，第三活动轴(23)通过第一后背连杆(11)与第二活动轴(22)连接，所述悬臂基座(7-1)的一端穿装在第三活动轴(23)上。

4.根据权利要求3所述的一种基于空间叠加法的五维力检测装置，其特征在于：活动轴组件(25)还包括六个销轴盖(28)，第一活动轴(21)、第二活动轴(22)和第三活动轴(23)的两端均设置有一个销轴盖(28)。

5.根据权利要求1、2或4所述的一种基于空间叠加法的五维力检测装置，其特征在于：脚底滑块(4)的上端面上沿后背上层板(13)的宽度方向加工有滑槽，每条脚底滑轨(2)沿宽度方向设置在两个脚底滑块(4)的滑槽上。

6.根据权利要求5所述的一种基于空间叠加法的五维力检测装置，其特征在于：所述五维力检测装置还包括第一固定交叉滚子轴承端盖(9)和第二固定交叉滚子轴承端盖(10)，交叉滚子轴承(8)通过第一固定交叉滚子轴承端盖(9)和第二固定交叉滚子轴承端盖(10)安装在固定轴(26)上。